Porcelain fused to metal (PFM) 크라운의 하부구조물은 metal coping이라고 명명하며, 세라믹의 소성 과정을 통해 최종 보철물로 완성된다. 세라믹을 지지하는 역할을 하는 metal coping은 구조적 안정성을 유지해야 하기 때문에 주로 메탈 소재로 제작한다[1,2]. 따라서 높은 내구성과 기계적 강도로 인해 교합력이 강한 부위에서도 안정적이다[3-5].

Metal coping은 세라믹의 반복 소성 과정에서도 변형되지 않고 화학적 결합을 유지할 수 있는 내구성과 열팽창 계수를 갖추고 있어야 한다[6-8]. 이는 강한 교합이나 외부 충격으로 인해 세라믹과의 미세한 손상이나 금속구조의 변형을 방지하여 보철물의 긴 수명을 보장하는 데 영향을 끼치는 중요한 요소이다[9].

최근 computer-aided design/computer-aided manufacturing (CAD/CAM)의 적층 제조 방식이 치과 보철 분야에 도입되었다. Metal coping 제작을 위한 방식은 lost-wax casting (LWC), CAD/CAM 시스템 두 종류로 나뉜다[10,11].

LWC 제작 방식은 작업자가 석고 모델에 패턴 왁스로 납형을 조각한 후, 석고 또는 인산염계 매몰재를 사용하여 매몰한 뒤 고온에서 왁스를 녹여 제거하는 소환 과정을 거쳐 nickel–chromium (Ni–Cr), cobalt–chromium (Co–Cr) 금속 등을 주입하는 주조 과정으로 이루어진다[12,13]. 그러나 이 방식은 작업자에 따라 금속의 수축 변형 및 기공과 같은 결함이 발생할 수 있으며, 이는 보철물의 내구성을 저하하고 장기간 사용 시 금속피로를 증가시켜 균열이나 파손을 야기하는 원인이 된다. CAD/CAM 방식은 환자의 구강을 스캐너로 스캔한 뒤 디지털 데이터로 변환하고, 보철물의 형태를 컴퓨터 상에서 디자인한다. 이 디자인 소프트웨어를 통해 보철물의 내면 설정(internal fit setting)을 한다. 이후, 디자인된 보철물은 3차원(three-dimensional, 3D) 프린터를 통해 출력하는 과정으로 구성되어 있다. 이는 기존 LWC 방식의 금속 수축 변형, 기공 발생 등의 문제를 줄이고, 금속을 정확한 형상으로 제작하며, 내면의 정밀한 적합도를 구현할 수 있게 했다[11].

메탈을 재료로 하는 3D 프린터의 기술에는 selective laser melting (SLM), direct metal laser sintering (DMLS), electron beam melting (EBM) 등이 있다. 그중 SLM 방식의 3D 프린터는 얇은 층의 분말 재료에 레이저를 주사하여 2차원 단면 형상을 제작하고, 이를 반복하여 3차원의 금속구조물을 성형하는 방식이다. 위치와 강도가 제어되는 레이저에 의해 균일하게 용융됨으로써 금속구조의 밀도와 품질을 일률적이고 정밀하게 제작할 수 있다[14,15].

보철물의 장기적인 사용을 위해서 지대치와 보철물의 정밀한 적합이 중요하다[2,16]. 적합도(fit)는 최종 보철물이 실제 구강 내 지대치에 정확하게 밀착하는지 나타내는 척도이다[17]. 최종 보철물이 부정확하게 적합할 경우, 지대치와 보철물 사이에 미세한 틈이 생기기 쉽고 이 틈에 음식물이 끼이거나 세균이 번식할 가능성이 높아지며, 이는 시간이 지날수록 치주염과 치아 우식 등의 문제를 유발할 수 있다[18,19]. 보철물 제작 과정에서 3D 프린터와 같은 발달된 기술을 사용하여 정확도를 세밀하게 조정할수록 일률적인 품질로 제작할 수 있다[20].

정확도(accuracy)란 3D 스캔 데이터를 기반으로 생성된 디지털 모델이 실제 모델과 얼마나 일치하는지 평가하는 것이다. International Organization for Standardization (ISO) 5725-1에 따르면 정확도는 진실도(trueness)와 정밀도(precision)로 나뉘며, 진실도는 여러 측정값의 평균적인 정확성을, 정밀도는 동일한 조건에서 반복 측정값 간의 일관성을 평가한 것이라고 정의하고 있다. 진실도가 높을수록 보철물이 정확하게 제작되었다는 것이며, 정밀도가 높을수록 동일한 디자인 파일을 기반으로 보철물이 반복 제작되어도 일관된 적합성을 유지할 수 있다는 것이다[21,22].

적층 가공 방식으로 제작된 브릿지 metal coping의 내면 및 변연 적합도에 대한 연구에서는 제작 방법이 교합 간격에 유의한 영향을 미치지 않았다고 보고하였다. 세라믹 소성 후 내면과 변연 적합성은 SLM 방식이 주조된 납형보다 더 적은 영향을 받았다고 밝혔다[23]. 변연 적합도를 비교한 다른 선행 연구에서는 적층 가공 방식이 주조 방식보다 통계적으로 더 적은 값을 보였다고 보고하였다[24]. 적합도에 대한 연구들은 진행되어 왔으나 metal coping의 내면과 변연 정확도에 관한 연구는 일부만 진행된 상황이다. 따라서 본 연구에서는 SLM 방식으로 제작한 Co–Cr metal coping과 LWC 과정을 통해 제작된 Co–Cr metal coping의 내면 정확도를 비교하였다. 귀무가설은 ‘LWC 방식으로 제작한 metal coping과 SLM 방식으로 제작한 metal coping 내면과 변연 정확도에 통계적으로 유의한 차이가 없다’라고 설정하였다.

1. 시편 제작

치과용 모델 스캐너(E4, 3-Shape)로 주모형의 프랩된 상악 좌측 중철치(111A, Nissin Dental)를 스캔하였다. 디자인 소프트웨어(DentalCAD, Exocad GmbH)를 사용하여 스캔 데이터를 불러온 뒤, coping으로 디자인하였다. 변연 부위에서 1 mm 떨어진 시멘트 공간을 0.02 mm로 설정하고 coping 두께는 일률적으로 0.5 mm로 설정하였다. 디자인 파일은 standard tessellation language (STL) 형식으로 저장하였다.

1) Lost-wax casting 그룹 제작

왁스 블록(Cad Cam Wax, Waxco)으로 절삭가공 장비(PM5-All, Pistis)를 사용해 10개의 왁스 납형을 제작하였다(n=10). 주조를 위해 절삭 가공된 왁스 납형에 주조선을 부착하고 습윤제(Dental Wax Cleaner 250 mL, Handae Chemical)를 분사하였다. 인산염계 매몰재(BC-VEST-CB-Plus, Bukwang)를 100 g:18 mL의 혼수비로 혼합하여 매몰하였다. 경화된 매몰 주형을 소환로에 넣어 850℃까지 상승시킨 후 60분간 계류하고 원심 주조기의 도가니의 Co–Cr 합금(ZENITH CO2030.01, Taesung Medis)을 넣고 불대를 이용하여 용융시킨 후 주조하였다. 방랭 후, 매몰재와 주조선을 제거하고 샌드블라스터(Basic Classic, Renfert GmbH)를 사용해 Al₂O₃분말을 0.2 MPa의 압력으로 분사하여 coping 내면의 잔여 매몰제를 제거하였다.

2) Selective laser melting 그룹 제작

슬라이싱 소프트웨어(VoxelDance Additive, Chamlion Laser Technology)를 이용하여 STL 파일을 빌드 플랫폼 내에 배치하고 서포트 위치와 형태를 지정하였다. 이후 Co–Cr 합금 파우더(Cham Lion, Shinseki International)를 사용하여 SLM 방식의 3D 프린터(NCL-M150, Chamlion Laser Technology)로 10개의 시편을 출력하였다(n=10). 이때, 적층 레이어의 두께는 20 μm, 레이저 스팟 직경 85 μm, 레이저 출력 100 W로 아르곤가스를 사용한 환경에서 제작되었다. 그리고 출력물의 서포터를 톱으로 제거하고 제조사의 지시사항에 따라 Box Atmosphere Furnace (RQF1400-7-12, Chamlion Laser Technology)를 사용해 최대 온도 1,300℃의 소결(sintering) 과정을 수행하였다.

2. 3차원 중첩 평가

정확성 평가를 위해 총 20개의 시편을 치과용 모델 스캐너(E4, 3-Shape)로 스캔하여 STL 파일로 저장하였다(n=20). 3차원 분석 소프트웨어(Control X, Geomagic Gmbh)를 사용하여 LWC 그룹과 SLM 그룹의 스캔 STL 파일에서 내면과 변연을 제외한 불필요한 부위를 삭제하여 편집하였다(Fig. 1).

Figure 1. Measurement range of accuracy. (A) Internal surface, (B) margin surface.

진실도는 참조 데이터를 디자인 파일로, 측정 데이터를 스캔 데이터로 지정하였다. 디자인 파일과 기준 파일을 초기 자동 정렬 후, ‘best fit alignment’로 정렬하였다. 정밀도는 참조 데이터와 측정 데이터를 각각 그룹의 스캔 데이터로 설정한 뒤 중첩하였다. Root mean square (RMS) 값은 다음의 식으로 계산하였다(Fig. 2).

Figure 2. Formula for calculating root mean square (RMS).

RMS 값이 0에 가까울수록 높은 정확도를 나타낸다. 정성적 평가를 위해 3차원 색차 지도(color-difference map)를 사용하였다(Fig. 3).

Figure 3. Representative color-difference maps of trueness and precision for lost-wax casting (LWC), selective laser melting (SLM) groups.

최대 오차범위는 ±50 μm, 허용오차 범위는 ±10 μm로 설정하였다. 파란색 영역은 음의 편차를 나타내며 빨간색 영역은 양의 편차를 나타낸다. 초록색 영역은 편차가 허용오차 범위 내에 위치함을 의미한다.

3. 통계 분석

통계 분석은 SPSS 버전 26 (statistical package for the social sciences, IBM) 소프트웨어를 사용하여 수행하였다.

데이터의 정규성은 Shapire–Wilk 테스트를 사용하여 평가되었으며, 진실도와 정밀도의 각 그룹 내면과 마진의 정규성 검정 결과 정규분포를 만족하지 않아(p<0.05) 비모수 Mann–Whitney U-test 검정을 시행하였고 통계적 유의수준은 0.05로 설정하였다(α=0.05).

주조 방식과 3D 프린터 방식으로 제작한 coping의 내면 및 변연 적합도 평균과 표준편차를 RMS 값으로 계산하였다. 진실도 통계 분석 결과, LWC 그룹의 내면 RMS 값은 37.1±1.21 μm, SLM 그룹 내면 RMS 값은 20.73±1.07 μm를 나타냈고, LWC 그룹 변연 RMS 값은 59.92±4.48 μm, SLM 그룹 변연 RMS 값은 44.61±2.67 μm였다. LWC 그룹과 SLM 그룹의 내면, 변연 진실도간 유의미한 차이가 있었다(p<0.05; Table 1).

Table 1 . Mean±SD of trueness RMS values for marginal and internal surface for LWC and SLM groups (n=10, unit: μm).

No.	Group	Mean±SD	95% CI		p-value
			Min	Max
1	LWC internal surface	37.12±1.21	34.37	39.87	<0.001
2	SLM internal surface	20.73±1.07	18.31	23.15
3	LWC marginal surface	59.92±4.48	49.79	70.05	0.023
4	SLM marginal surface	44.61±2.67	38.58	50.64

SD: standard deviation, RMS: root mean square, LWC: lost-wax casting, SLM: selective laser melting, CI: confidence interval, Min: minimum, Max: maximum..

정밀도 통계 분석 결과, LWC 그룹의 내면 RMS 값은 22.39±2.87 μm, SLM 그룹의 내면 RMS 값은 21.16±1.25 μm이고, LWC 그룹의 변연 RMS 값은 50.97±2.24 μm, SLM 그룹의 변연 RMS 값은 22.11±1.19 μm였다. 그러나 LWC 그룹과 SLM 그룹의 내면에서는 유의미한 차이가 없었고(p>0.05), 변연간 유의미한 차이가 있었다(p<0.05; Table 2).

Table 2 . Mean±SD of precision RMS values for marginal and internal surface for LWC and SLM groups (n=45, unit: μm).

No.	Group	Mean±SD	95%CI		p-value
			Min	Max
1	LWC internal surface	22.39±2.87	16.60	28.18	0.872
2	SLM internal surface	21.16±1.25	18.65	23.68
3	LWC marginal surface	50.97±2.24	46.47	55.48	<0.001
4	SLM marginal surface	22.11±1.19	19.72	24.50

SD: standard deviation, RMS: root mean square, LWC: lost-wax casting, SLM: selective laser melting, CI: confidence interval, Min: minimum, Max: maximum..

Fig. 3의 색차 지도 지표를 살펴보면, 진실도 분석 결과 LWC 그룹 내면은 절단연 부위에서 SLM 그룹보다 양의 편차(빨간색 영역)가 일률적으로 나타났으며, 내면의 가장자리에서는 SLM 그룹에 비해 음의 편차(파란색 영역)가 균일하게 나타났다. 두 그룹의 변연은 모두 허용오차 범위 내의 초록색 영역이 일정하게 나타났으나 LWC 그룹의 원심면과 근심면에서 양의 편차(빨간색 영역)가 나타났다. 정밀도 분석 결과 내면에서는 두 그룹 모두 양의 편차(빨간색 영역)가 일부 나타났지만 이 영역은 LWC 그룹이 SLM 그룹에 비해 컸고, LWC 그룹의 원심면과 근심면에서 음의 편차(파란색 영역)가 관찰되었다. SLM 그룹은 LWC 그룹에 비해 허용범위 내에 위치하는 초록색 영역이 더 많이 나타났다. 변연의 정밀도 분석 결과 LWC 그룹이 SLM 그룹에 비해 순면과 설면에서 양의 편차(주황색 영역)가 넓게 나타났고, 순면, 근심면, 원심면에서 음의 편차(파란색 영역)가 더 넓게 분포되었다. SLM 그룹은 일부 양의 편차(빨간색 영역)와 음의 편차(파란색부분)가 나타났지만 LWC 그룹에 비해 그 영역이 상대적으로 작았다.

본 연구의 목적은 LWC 방식과 SLM 방식으로 제작한 metal coping 내면 및 변연의 정확성을 비교하여 평가하고자 하였다.

통계 분석 결과, SLM 군이 LWC 군에 비해 내면과 변연 진실도가 높았고 통계적으로 유의미한 차이가 있었다(p<0.001, p=0.023). 그러나 두 군의 내면 정밀도는 통계적으로 유의미한 차이가 없었고(p=0.872), 변연 정밀도는 통계적으로 유의미한 차이가 있었다(p<0.001). ‘LWC 방식과 SLM 방식으로 제작한 metal coping의 내면과 변연 정확도는 통계적으로 유의한 차이가 없다’는 귀무가설은 기각되었다.

주조 과정에서 발생하는 수축이나 미세한 열 변형으로 인하여 LWC 군의 진실도가 상대적으로 낮았다. 주조 공정은 금속을 고온에서 녹여 액체 상태로 만드는 용융(melting) 단계로 시작한다[25]. 이 단계에서 금속은 부피와 밀도가 낮아지며 팽창하게 된다. 녹은 금속이 주형(mold)에 주입되면서 주형의 형태를 채우고 나면, 온도가 서서히 낮아지면서 응고가 시작된다. 이때 금속은 수축이 발생하면서 발생하는 부피 감소를 응고 수축이라고 한다. 금속이 고체화되면서 전체적으로 수축하고 이로 인해 주형 내부에서 금속 표면에 미세한 틈이 발생할 수 있다. 주형 내에서 이러한 열 수축을 보완하지 않으면 주조물의 크기나 형상이 정확하게 나오지 않을 수 있다고 알려져 있다. SLM 방식은 금속분말을 레이저로 녹여 한 층씩 적층하여 형상을 성형하기 때문에, 내면과 변연의 동일한 조건에서 반복 제작 시 높은 정밀도를 유지하여, 최종 제작물과 CAD 디자인 간의 차이를 최소화하여 정확도가 상대적으로 높게 나온 것으로 보인다.

본 연구의 실험은 숙련된 치과기공사(HRK) 한 명에 의해 이루어졌고, 10개의 시편을 한 번에 매몰 및 주조하였다. 동일한 용융 금속이 동일한 온도와 압력 조건에서 주형을 채우고 냉각시켜 개별 주조보다 각 시편 간의 일관성을 높여주었다. 마진 부위의 정밀도에서 SLM 그룹이 LWC 그룹보다 낮은 RMS 값을 보인 것은 주조 과정에서 발생하는 내면 및 변연의 응고와 수축의 속도가 달라 나타난 것으로 보인다[26]. 주조 과정에서는 금속이 주형 내부에서 가장자리(변연)부터 빠르게 냉각되기 시작한다. 이로 인해 내면보다 변연 부위에서 응고와 수축이 먼저 발생한다. 또한 내면 부위는 상대적으로 고르게 응고하며 주형과 밀착하여 전체적으로 일정한 형상을 유지하는 반면, 변연 부위는 공기와 맞닿거나 얇은 부분이기 때문에 더 큰 열 변형이 발생한다. LWC 그룹의 시편 제작 과정에서 수작업으로 인한 오차를 줄이기 위하여 밀링 장비를 사용하여 왁스 납형을 제작하였다. 적합도와 가장 연관이 있는 변연 부위가 LWC 그룹이 SLM 그룹에 비해 높게 나왔다. 이는 SLM 방식이 내면 변연의 일정한 형상을 구현할 수 있어, LWC 방식보다 우수한 정확도를 나타낸 것으로 보인다. SLM 그룹이 색차 지도에서 나타나는 음의 편차(파란색)와 양의 편차(빨간색)는 공정 과정에서 적층 속도나 레이저 강도 등에 의해 나타날 수 있다[27-29]. 레이저로 국소 부위를 녹이는 과정에서 일부 부위가 더 빠르게 냉각되면서 수축하므로 음의 편차가 나타나고, 천천히 냉각되는 부위는 덜 수축되어 양의 편차가 나타나게 된다.

SLM 방식의 내면 적합도와 관련한 연구들을 살펴보면, SLM/DMLS로 제작된 보철물의 내부 간격이 기존 주조 및 인쇄 패턴 주조보다 높다고 보고하였다[30]. 다른 선행 연구에서도 SLM으로 제작한 보철물이 주조 보철물보다 변연 적합성이 우수했다는 유사한 결과가 도출되어 본 연구의 변연 정확도 결과와 비슷한 양상을 보였다[24]. SLM과 3D 프린터 인쇄 패턴을 사용한 LWC 방법으로 제작된 3번 브릿지에 세라믹 소성 과정을 거쳐 임상실험을 평가한 선행 연구에서도 본 연구와 비슷한 양상을 보였다[23,31]. 선행 연구에서는 세라믹 소성 과정을 추가로 하고, 임상적 조건을 반영하여 실험을 진행하였다. 본 연구는 세라믹 소성 전 단계인 전치부 coping의 정확성을 평가한 점에서 의의가 있다. 그러나 시편의 수가 많지 않고 내면과 변연 부위를 구체적인 지점을 나누어 측정하지 않은 점은 본 연구의 한계점이라고 여겨진다. 또한 세라믹 소성 후 내면 및 변연 적합도가 달라질 수 있기 때문에 이를 평가하는 추가 연구가 이루어져야 할 것이다. 선행 연구에서 제시하고 있는 내면 한계가 140 μm, 변연 한계가 120 μm 이내의 수치를 보이므로 임상적으로 허용 가능한 범위에 속한다[23].

본 연구의 내면 정확도 측정 결과 진실도에서는 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 나타났고 정밀도에서는 통계적으로 유의미한 차이가 없는 것으로 나타났으며, 본 연구의 변연 정확도 측정 결과 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 나타났으며 두 군 모두 임상적으로 허용 가능한 범위에 속하는 것으로 나타났다. SLM 방식이 LWC 방식에 비해 금속구조물의 밀도와 품질을 일률적이게 성형하여 보철물 제작에 유리하다고 할 수 있다.

None to declare.

The authors deeply appreciate the CEO of LUCID Dental Lab for granting permission to use the laboratory’s materials for specimen preparation.

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.